PTR-ToF-MS acoplado com um sistema automatizado da amostragem e uma análise costurada dos dados para estudos do alimento: Monitoração do Bioprocess, seleção e análise do espaço do nariz

O objetivo geral deste artigo é demonstrar o potencial do PTR-ToF-MS para análise direta de compostos orgânicos voláteis em ciência e tecnologia de alimentos e, em particular, a importância da amostragem automatizada e análise de dados personalizada. Os compostos orgânicos voláteis desempenham um papel fundamental na ciência e tecnologia de alimentos, tanto porque controlam a percepção de sabor e odor quanto porque fornecem uma ferramenta para o monitoramento da qualidade dos alimentos. A alta sensibilidade e a injeção rápida e direta fazem do PTRMS uma das melhores opções para o monitoramento da liberação de compostos orgânicos voláteis, para monitoramento de bioprocessos, para a triagem de grandes conjuntos de dados e para análise do espaço do nariz.

Também desenvolvemos dados adequados e as ferramentas de análise necessárias para a exploração adequada de conjuntos de dados grandes e complexos, como os usados pelo PTRMS em um tempo muito curto. A demonstração futura de nossa metodologia pode inspirar pesquisas de diferentes campos estatísticos e científicos, como SENSOMICS, metabolômica, análise de caminho e fonêmica. Para iniciar o primeiro experimento, adicione cinco mililitros de leite pasteurizado a frascos de vidro de 20 mililitros equipados com septos de silicone PTFE.

Em seguida, transfira as amostras para um amostrador automático GC multifuncional equipado com uma bandeja de controle de temperatura. Use o braço robótico do amostrador automático para inocular os frascos com as culturas microbianas iniciais, defina o tempo de incubação de acordo com a tipologia do processo desejado e as especificações relatadas pelo fabricante da cultura inicial. Em seguida, defina o amostrador automático para analisar uma amostra após a outra, obtendo um monitoramento on-line de compostos orgânicos voláteis da fermentação do ácido lático durante a preparação do iogurte.

O segundo experimento seleciona pelo menos cinco maçãs na fase desejada de amadurecimento sem nenhum dano visível para cada variedade. Armazene as maçãs pelo período desejado a quatro graus Celsius. Em seguida, colete cinco discos cilíndricos de cada maçã com um amostrador de lâmina de carne, incluindo parte do tecido do córtex e evitando a parte central com sementes.

Após congelamento das amostras e nitrogênio líquido, homogeneize-as. Coloque três réplicas de amostras de maçã de 2,5 gramas de cada variedade em frascos de vidro de 20 mililitros. Misture cada amostra com uma solução antioxidante obtida pela dissolução de um grama de cloreto de sódio, 12,5 miligramas de ácido ascórbico e 12,5 miligramas de ácido cítrico em 2,5 mililitros de água deionizada.

Incube as amostras a 40 graus Celsius. Em seguida, defina o amostrador automático para analisar automaticamente os compostos orgânicos voláteis. Para o último experimento, prepare o café coado a partir de amostras de café moído com uma cafeteira de fogão de seis xícaras usando 450 mililitros de água e 30 gramas de café em pó.

Transfira o café coado para uma garrafa e coloque-a em banho-maria termostático de 60 graus Celsius. Informe a proporção de água em pó, o tipo de água mineral utilizada, o tipo de cafeteira e o procedimento adotado para obter a bebida de café. Para cada café infundido, transfira alíquotas de 7,5 mililitros para uma xícara de poliestireno de 40 mililitros com tampa de plástico.

Peça a cada membro do painel que prove a bebida de acordo com o protocolo. Enquanto o PTR-ToF-MS coleta amostras continuamente da concentração do espaço do nariz por meio de uma peça de nariz ergonômica de borracha de silicone de uso único no nariz de cada painelista. Esta peça nasal é conectada ao PTR-ToF-MS por um tubo PIC com a peça em contato com o painelista à temperatura ambiente e o tubo restante aquecido a 110 graus Celsius e uma mangueira de entrada que conecta a interface de amostragem com o instrumento.

Para realizar medições do espaço livre das amostras, injete ar diretamente no espaço da cabeça do tubo de deriva do PTRMS, inserindo a extremidade da entrada do PTRMS no espaço da cabeça da amostra. Antes e durante as medições, defina e verifique constantemente as seguintes condições de ionização no tubo de deriva para levar a uma relação E/N de 140 Townsend. Se um amostrador automático for usado, defina o fluxo mínimo de entrada para 40 centímetros cúbicos padrão.

Defina o tempo de amostragem por canal de aquisição de ToF para uma faixa de taxa de carga mestre. Use o software desenvolvido pelo próprio para corrigir as perdas de contagem devido ao tempo morto do detector de íons e realizar calibração interna, redução de ruído de anotação composta e extração de pico. Minere os dados realizando análise composta principal, análise de variância, teste post-hoc de Tukey e outras análises estatísticas, adaptando pacotes existentes desenvolvidos usando Matlab.

Os três experimentos fornecem exemplos de aplicação de nossa metodologia de monitoramento de bioprocessos, triagem de conjuntos de amostras e análise do espaço nasal in vivo. O perfil de compostos orgânicos voláteis on-line das amostras fornece um espectro de massa completo a cada segundo e mais de 300 picos de massa podem ser identificados nos espectros médios adquiridos durante a fermentação do iogurte. A cinética de fermentação de nove picos de massa selecionados durante a fermentação do iogurte usando quatro culturas iniciais diferentes é mostrada aqui.

A maioria desses voláteis exibiu cinética microbiana clássica com uma fase de atraso inicial seguida por uma fase de crescimento e uma fase pós-log. Curiosamente, a análise online destacou uma cinética de depleção específica para quatro compostos contendo enxofre, que podem ter um efeito sensorial mesmo em uma concentração muito baixa. O dendrograma baseado em compostos orgânicos voláteis associados a uma grande coleção de maçãs representada por 198 sessões destaca a presença de seis clusters principais determinados principalmente por ésteres e álcoois.

Os perfis cumulativos para cinco testadores de café representados por meio de gráficos radiais são mostrados aqui. Os resultados demonstram a presença de diferenças reprodutíveis e relevantes entre os provadores, como evidenciado para os provadores P um e P dois. A diferença de amostras, a metodologia mais testada pode fornecer dados confiáveis sobre a liberação de compostos orgânicos voláteis, que quando comparados com nossos métodos podem ser obtidos em menor tempo.

A possibilidade de medir muitas amostras é a principal característica de nossa abordagem. Porque permite controlar e rastrear a viabilidade de amostras biológicas. Após esse desenvolvimento, essa metodologia valeu a pena para os pesquisadores em diferentes áreas relacionadas ao monitoramento de compostos orgânicos voláteis para explorar a ligação entre sua liberação e genética e a triagem de populações.

Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa ideia de como explorar o potencial do PTR-ToF-MS na análise de alimentos e tecnologia para analisar a volatilidade por frutas. Lembre-se de que as amostras e a linha de medição são expostas ao ar durante o experimento. Portanto, evite introduzir algumas fontes de compostos orgânicos voláteis.

Outra vantagem do PTRMS é que ele não envolve o uso de solventes ou corantes perigosos e é uma técnica de química verde. No entanto, não se esqueça de que suas amostras podem ser extremamente perigosas.